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流化催化裂化装置旋风分离器的研究及分离效率的优化作者：郝天歌于姣洋夏志鹏吴琼来源：《当代化工》2017年第04期摘要：首先从旋风分离器的分离原理及影响分离效率的诸多因素入手，对提高旋风分离器分离效率进行了研究和探讨，最后提出了在FCC装置设计过程中，反再两器中的两级旋风分离器分离效率优化的一些建议和方法，三级旋风分离器的一些实际问题的解决方法以及四级旋风分离器安装过程中的一些注意事项。
关键词：流化催化裂化；旋风分离器；分离效率优化；三级旋风分离器中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）04-0700-04Study and Efficiency Optimization of Cyclone Separator inFluid Catalytic Cracking UnitHAO Tian-ge， YU Jiao-yang， XIA Zhi-peng， WU Qiong（HQC Liaoning Company， Liaoning Shenyang 110169， China）Abstract： The mechanism of cyclone separation of cyclone separator was analyzed as well as factors affecting the separation efficiency， how to improve the separation efficiency of cyclone separator was discussed. Finally， some suggestions on efficiency optimization of the two-stage cyclone separator in reactor-regenerator device in FCC were presented as well as some practical solution to the problems of third-stage cyclone， the precautions during the forth-level cyclone installment process.Key words： Fluid catalytic cracking（FCC）； Cyclone separator； Efficiency optimization； Third-level cyclone separator流化催化裂化（FCC）装置是现今发展相当迅速的炼油再加工装置之一。
旋风分离器灰斗结构的试验研究的开题报告一、选题背景及意义旋风分离器是一种重要的气固分离设备，广泛应用于各行业的固体颗粒物料的分离和回收。
其中，灰斗是旋风分离器的重要组成部分，通过灰斗的设计和结构的优化，可以有效地改善旋风分离器的分离效率和可靠性，降低生产成本和能耗。
目前国内外对于旋风分离器灰斗结构的试验研究较少，国内相关研究主要集中在理论分析和仿真模拟方面，对于实际应用中的灰斗结构设计和优化方案缺乏系统性和实践性的探讨。
因此，本研究以旋风分离器灰斗结构为研究对象，通过试验研究，深入分析不同结构参数对于灰斗性能的影响，以期为提高旋风分离器的分离效率和运行稳定性提供有力的技术支持。
二、研究内容和技术路线1. 灰斗结构参数的分析与优化通过文献综述和理论计算，分析灰斗内壁角度、入口尺寸、出口尺寸等结构参数对于灰斗性能的影响，确定一组基础结构参数。
2. 灰斗试验参数的设计根据基础结构参数，设计进行试验的灰斗尺寸、进口速度和颗粒物料等试验参数，制定试验方案。
3. 试验进行与数据分析按照试验方案，通过实验设备进行试验，并采集实验数据。
通过对实验数据的分析，得出不同结构参数下灰斗的分离效率、排风阻力等性能指标，并对试验结果进行分析和解释。
4. 结果分析与优化基于试验结果，分析不同结构参数对于灰斗性能的影响，提出进一步优化方案，确立最优结构参数组合，进一步提高旋风分离器的性能。
三、预期研究结果1. 确定一组适用于旋风分离器灰斗结构参数的基础设计方案。
2. 分析各结构参数对灰斗分离效率和排风阻力的影响规律，确定最优的结构参数组合。
3. 为旋风分离器灰斗结构的实际应用提供可靠的设计和优化依据，提高旋风分离器的分离效率和运行稳定性。
四、研究的难点和解决途径1. 灰斗结构参数设计的合理性与操作性的兼顾为了保证灰斗结构的设计合理，需要综合考虑理论计算和试验数据，针对不同结构参数的优劣，制定适用性较高的设计方案。
2. 灰斗内的颗粒物料流动特性与试验数据采集灰斗内固体颗粒物料的流动特性对试验数据的采集具有影响。
旋风分离器工作原理旋风分离器是一种常用的气固分离设备，广泛应用于化工、环保、食品、冶金等行业。
其主要作用是将气体中的固体颗粒进行分离，从而实现气固两相的分离。
旋风分离器的工作原理基于离心力和重力的作用。
当含有固体颗粒的气体进入旋风分离器后，首先经过进气口进入分离室。
在分离室中，气体呈螺旋状运动，形成旋风流。
由于旋风流的速度较高，离心力作用下，固体颗粒受到离心力的作用而向外部壁面移动。
在旋风分离器的分离室中，设置了一个中心管，称为旋风管。
旋风管的作用是引导气体形成旋风流，并使气体在旋风分离器内部形成一个高速旋转的气流。
同时，旋风管的一端与进气口相连，另一端与出口相连。
气体在旋风管内部的速度逐渐增加，形成高速旋转的气流。
固体颗粒在气流的作用下，受到离心力的作用，向外部壁面移动。
由于离心力的作用，固体颗粒受到向外的力，而气体则受到向内的力。
在旋风分离器的分离室中，气体与固体颗粒分离，固体颗粒沿着旋风分离器的壁面下降，最终被收集在底部的集料斗中。
分离后的气体则从旋风分离器的出口排出。
由于旋风分离器内部的气流速度较高，气体中的固体颗粒已经被分离出来，所以排出的气体几乎不含有固体颗粒，达到了气固分离的目的。
旋风分离器的工作原理可以进一步优化，通过调整旋风分离器的结构和参数，可以实现对不同颗粒大小和密度的固体颗粒进行有效分离。
例如，通过改变旋风分离器的进气口和出口的尺寸，可以调节气流速度和旋风流的旋转速度，从而实现对不同粒径的固体颗粒的分离效果。
此外，旋风分离器还可以与其他设备结合使用，如除尘器、洗涤塔等，以进一步提高气固分离的效果。
通过将旋风分离器与除尘器结合使用，可以实现对气体中更细小的固体颗粒的分离。
而与洗涤塔结合使用，则可以实现对气体中的固体颗粒进行清洗和脱硫等处理。
综上所述，旋风分离器是一种利用离心力和重力作用实现气固分离的设备。
其工作原理是通过旋风流的形成，使固体颗粒受到离心力的作用向外移动，从而实现气固两相的分离。
旋风分离器在工业上的应用已有百年多的历史。
它是利用气固两相流的旋转，将固体颗粒从气流中分离出来的一种干式气-固分离装置[1]。
与其它气固分离设备相比，具有结构简单、设备紧凑、性能稳定和分离效率高等特点。
广泛应用于石油、化工、冶金、建筑、矿山、机械和环保等工业部门。
由于旋风分离器内部流动非常复杂，用试验或者解析的方法研究分离器内部的流动状况比较困难。
近年来，随着计算机硬件及CFD(计算流体动力学)技术的不断进步[2,3]，数值方法成为研究旋风分离器的一种重要手段。
通过对旋风分离器内气固两相进行数值模拟，揭示旋风分离器内部流场，为优化旋风分离器的结构提供思路，也为进一步提高分离性能奠定基础。
1旋风分离器的结构和工作原理一般来说，旋风分离器由进气管、柱段、锥段、排气管和集灰斗等部分组成（图1）。
含尘气流以12m/s ～25m/s 的速度从进气口进入旋风分离器，气流由直线运动变为圆周运动，产生高速旋转的涡旋运动。
旋转气流中的固体颗粒由于离心加速度的作用，向器壁运动，接触器壁后失去惯性力而靠入口速度的动力和向下的重力沿器壁螺旋形向下，经锥段排入灰斗中。
向下旋转的净化气体到达锥段下部某一位置时，由于负压作用，便以相同的旋转方向在分离器内部由下而上螺旋运动，经排气管排出旋风分离器外。
2旋风分离器流场数值模拟研究进展虽然旋风分离器结构简单，但是其内部的三维旋转湍流流场却相当复杂。
工程应用对该流场的数值模拟，基本上是基于求解Reynolds 时均方程及关联量输运方程的湍流模拟方法。
描述湍流运动的数学基础仍然是连续性方程和瞬时N -S 方程。
连续性方程：N -S 方程：收稿日期：2012-04-11；作者简介：韩婕（1984-），女，电邮hanjie854@ 。
旋风分离器两相流动数值模拟研究进展韩婕，刘阿龙，彭东辉，吴文华（上海化工研究院化学工程及装备研究所，上海200062）摘要：介绍了旋风分离器的结构与工作原理，综述了国内外旋风分离器两相流场的数值模拟研究进展，对研究过程所用的研究方法进行了描述，分析比较了研究成果。
旋风分离器排气管再分离结构的试验研究的开题报告一、研究背景和意义旋风分离器作为一种高效的气固分离设备，在化工、石油、污水处理等领域有着广泛应用。
但是，旋风分离器存在气体内部脱除效率不高的问题，即在经过旋风分离器后仍有一定量的颗粒物质存在。
为了提高旋风分离器的脱除效率，目前已研究出旋风分离器排气管再分离结构，该结构可再次将残留的颗粒物质过滤掉，使气体排放更加干净。
然而，目前该结构的研究并不充分，缺乏系统性的试验研究，因此需要进一步深入探究其性能和机理，以指导其优化和工业应用。
二、研究目标和内容本研究旨在就旋风分离器排气管再分离结构进行试验研究，探究其脱除效率和机理，以达到以下目标：1. 研究旋风分离器排气管再分离结构的性能，探究其气固分离效率和流量特性。
2. 分析旋风分离器排气管再分离结构对颗粒物的捕集机理，探究其操作参数对其捕集效果的影响。
3. 针对旋风分离器排气管再分离结构的优化和工业应用进行探讨。
具体内容包括：1. 设计并搭建实验装置，对旋风分离器排气管再分离结构进行性能测试，包括气固分离效率和流量特性。
2. 根据实验数据和统计分析，探究旋风分离器排气管再分离结构的优化方案，并进一步确定其操作参数对颗粒物捕集效果的影响。
3. 结合理论分析，对旋风分离器排气管再分离结构的机理进行深入探究。
4. 评估旋风分离器排气管再分离结构对环境净化和工业应用的实际效果，并提出工业应用建议。
三、研究方法和步骤1. 设计实验方案，制备所需实验材料和设备。
2. 进行实验前的预处理，包括容器干燥消毒、颗粒物筛分等。
3. 进行旋风分离器排气管再分离结构性能测试，测量其气固分离效率和流量特性，并记录相关数据。
4. 分析和处理实验数据，绘制数据曲线和统计图表，进行结果分析。
5. 结合理论分析，深入探究旋风分离器排气管再分离结构的机理。
6. 根据实验结果和理论探究确定旋风分离器排气管再分离结构的优化方案，并进行工业应用的评估。
硕士学位论文旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析NUMERICAL SIMULATION AND PERFORMANCE ANALYSIS OF GAS-SOLID TWO PHASE FLOW IN CYCLONE SEPARATOR汪 林哈尔滨工业大学2007年7月国内图书分类号：TU834.6国际图书分类号：626工学硕士学位论文旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析硕士研究生：汪林导师：朱蒙生 副教授申请学位：工学硕士学科、专业：水力学及河流动力学所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2007年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TU834.6U.D.C: 626Dissertation for the Master Degree in EngineeringNUMERICAL SIMULATION AND PERFORMANCE ANALYSIS OF GAS-SOLID TWO PHASE FLOW INCYCLONE SEPARATORCandidate:Supervisor:Academic Degree Applied for: Speciality:Affiliation:Date of Defence:Degree-Conferring-Institution:Wang LinAssociate Prof. Zhu Mengsheng Master of Engineering Hydraulics and River Dynamics School of Municipal & Environmental Engineering July, 2007Harbin Institute of Technology摘要摘要近年来，随着人们环境保护意识的加强，以旋风分离器为代表的各类除尘设备已经成为防治大气污染的主力军，在消除大气污染、保障人类健康及生态环境方面发挥着重要作用。
旋风分离器的气固两相特性研究与数值模拟摘要旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动使固体颗粒在离心力的作用下从气流中分离出来的设备。
它具有结构简单，维护方便，耐高温、高压，造价低等优点，在环保、粉体、石油、化工、冶金、材料等许多领域有着广泛的应用，使得旋风分离器的研究越来越受到重视。
旋风分离器的应用已经有很长一段历史了，由于旋风分离器中的含尘气流属于三维强旋转湍流，伴随着两相分离运动，而且涉及到气固两相相互作用以及凝聚、吸附和静电等许多复杂物理现象，使得理论研究遇到很大困难，理论进展缓慢。
传统的设计是依据己知的操作条件和所需的性能指标，凭借经验先选定旋风分离器的结构形式及尺寸，然后通过半经验公式计算出旋风分离器的效率及压降，再根据计算结果修改尺寸。
设计过程具有很大的盲目性。
本文利用计算流体力学商业软件FLUENT对旋风分离器进行了数值模拟。
在选择了合适的数值模拟方案后，模拟研究了多种情况下的气相速度场、压力场、颗粒运动轨迹、颗粒分级效率、旋风分离器总分离效率等参数。
通过本文大量的数值模拟研究，主要得到了以下这些结论：1) 通过研究确立了一套最适合旋风分离器内部气相流场的数值计算方法：湍流模型采用雷诺应力模型；差分格式采用QUICK格式；压力梯度项插补格式采用PRESTO格式；计算方法采用SIMPLEC算法。
2) 旋风分离器内的气相主流是双层旋转流，外部是回转向下的外旋转流，而中心是向上旋转的内旋流，且两者的旋转方向相同。
切向速度分布呈现了组合涡的特点，中心区域为强制涡，外部区域为准自由涡。
3) 旋风分离器中旋涡具有不稳定性，它会引起涡核尾部或端部附着在旋风分离器下部壁面并旋转摆动，使得返混现象变严重，同时还会引起结垢现象。
4) 旋风分离器内静压在径向上随着径向尺寸的减小而降低；动压在强制涡和准自由涡的分界面CS处最大。
分离器总压降包括静压降和动压降两部分。
5) 旋风分离器中的颗粒运动很复杂，总的来说，从入口外侧和下方入射的颗粒分别较从内侧和上方入射的颗粒更容易分离。
收稿日期:2002-12-31 修回日期:2003-04-14第一作者简介:刘子鸿(1975-),男,硕士研究生。
旋风分离器两相流研究综述刘子红,肖 波,杨家宽(华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉 430074)摘 要:综述了旋风分离器内部流场、颗粒运动和数值计算模型的理论研究发展历程。
关键词:流场;旋风分离器;平衡尘粒模型;两相流中图分类号:T Q 172.6+88.2 文献标识码:A 文章编号:1008-5548(2003)03-0041-04Review on Study of Inner Gas -solidTwo -phase Flow Field and Nu merical Calculation Model of Cyclone SeparatorLIU Zi -hong ,XI AO Bo ,Y ANG Jia -kuan(School of Environment Science and Engineering ,Huazhong University of Science and Technology ,W uhan 430074,China )A bstract :T he development course of the theoretical research of the inner flow field ,the particle motion and the numerical calcu -la tio n model of the cyclone separato r are reviewed and summa -rized .Key words :flow field ;cyclone separato r ;equilibrium model of dust particle ;two -phase flow旋风分离器具有结构简单、设备紧凑、造价低、维修方便等优点,适于高温、高压和腐蚀性环境,被普遍应用于化学、炼油、冶金、煤碳、电力等工业部门。
随着科学技术的发展,人们对旋风分离器的研究也越来越深入,其理论也越来越完善,目前普遍认为,旋风分离器内部的气固两相流动特别是它们的相对运动是决定旋风分离器分离效率的关键因素。
因而,研究和掌握旋风分离器内部的两相流动状况具有重要的意义。
本文对旋风分离器的理论研究历程进行归纳总结,以方便相关领域的科研工作者。
1 旋风分离器内部流场的研究[1,2]自1886年Morse 的第一台圆锥形旋风分离器问世以来的百余年里,国内外众多学者和科研人员对分离器的结构、尺寸、流场特性等进行了大量的研究。
旋风分离器是利用离心力从气体中除去粒子的设备,其气流型式很复杂。
因为旋风分离器把尘粒从气体中分离出去是依靠气体的旋转,所以,要研究分离器的结构和尺寸对其性能的影响,要计算旋风分离器的效率和阻力,要正确地设计旋风分离器,就必须知道除尘器内气流形式的实际状况。
范登格南于1929～1939年期间对旋风分离器的气流型式进行了广泛研究。
他发现在旋风分离器中存在双涡流。
其一围绕排气管,另一则从排气管底部一直延伸到圆锥下端。
其后,西菲尔德和拉普尔于1939年报告了对旋风分离器中气流型式的研究结果。
1951年,西菲尔德和拉普尔的实验结果有一些被斯泰尔曼发表的报告证实,但还有一些和他的发现不一致。
斯太尔曼发现,在分离器内,外围气体切向速度的平方和半径成反比,这和西菲尔德等发表的数值相同。
但斯太尔曼报告,在大约相当于排气管直径一半的范围内存在着气体以恒定角速度旋转的中央核心。
这和西菲尔德等以排气管直径为内外螺旋流界限是不一致的。
杰克逊根据他们的实验结果作出了关于气流型式的一些较有新意的推断。
1953年,特林丹在论文中以他测出径向和轴向分速度为依据,画出了旋风分离器内的流线。
弗斯特在他的实验中发现,离开分离器出口至少相当于连接管道直径27倍的地方还存在着旋流。
随后,波格丹诺夫发表了对靠近圆筒壁气流型式的一些看法,他认为:旋转气流中的分子受到离心力的作用,构成压力梯度,从轴向壁压力逐渐增加。
在壁上的分子处在停滞层中,不再受离心力影响,势必要对压力梯度起反应。
这样,在圆筒形旋风分离器中,边界层的气流就会经过端头表面向内移动。
因此,必然产生某种沿圆筒壁向端头表面的流动。
在通常的圆锥形旋风分离器中,则将有沿着壁向顶板和圆锥顶第9卷第3期2003年6月中 国 粉 体 技 术China Powder Science and TechnologyVol .9No .3June 2003DOI :10.13732/j .issn .1008-5548.2003.03.012点两方向的流动。
这种流动循着范登格南所指出的方向,但只限于边界层,而不是像他的双涡流型式那样扩展到气流的主体中。
70年代,中科院力学研究所、上海化工研究院在Υ400mm及Υ800mm旋风分离器模型上,用五孔球形探针及热线风速仪对进行了测试。
80年代,许宏庆在Υ288mm模型上,用双色激光多普勒测速仪进行了测试。
这些流场测试图呈现出的规律大致与特林丹所得结果相同,但他们都认为非对称的切向进口造成了涡流中心与几何中心不一致,径向速度分布呈现非轴对称性等现象,同时还证实了上涡流的存在[3,4]。
90年代末期,上海理工大学动力工程学院也在这方面作了一些研究,他们认为在分离器中心处存在滞流和回流现象[5]。
2000～2001年,浙江大学热能工程研究所和华中科技大学煤燃烧国家重点实验室应用三维颗粒动态分析仪(3D PDA)对方形下排气分离器内的气固两相流场进行了测试,得到了几种工况条件下的流场矢量分布。
研究发现分离器方腔内的流场偏离其几何中心,并呈中间为强旋流动和边壁附近为弱旋的准自由涡区的特点,且在边角处存在局部小旋涡[6]。
另外,我国许多科研院所和高等院校对此也做了许多工作,如清华大学、西安交通大学、西安建筑科技大学、石油大学、华北工学院等[7]。
2 湍流计算模型的研究及当前几种常用计算模型[8,9,10] 1962年,勒沃伦把不可压缩流体的连续性方程和Navierstokes方程在圆柱坐标系和轴对称定常流动情况下进行了简化,通过引入流函数和环量,得到了强旋转简化层流模型。
中科院力学所贾复等人曾利用此模型对旋风分离器内流场进行了解析计算,由于模型过于简化,仅能作一些定性的说明。
1975年,布洛尔、因格罕运用普朗特提出的混合场理论确定湍流表观粘度,并对水力旋流器流场进行了分析,建立了适合于工程应用的初级湍流模型。
1982年,波夷萨等人利用若迪推得的关于雷诺应力的近似代数关系式,得到了高级湍流模型,用这些模型计算得到的切向速度数值解与实验测定结果吻合得较好。
1997年,S M Fraser、A M Aabdel Raxek和M Z Abdullah等人用修正过的κ-ε模型对分离器内的速度矢量分布作了研究,所得结果与实际测量结果基本吻合[11]。
在工程界,有以下几种湍流计算模型较为常用[8]:(1)κ-ε模型:用途较为广泛。
然而由于采用了同向性湍流输运的假设,故它不适应于具有非同向性湍流输运的强旋流分离器流场。
在分离器流场中,因切向速度分量远大于径向和轴向速度分量,因而常常采用完全雷诺应力模型(RSM)或者代数应力模型(ASM)或RNG模型来代替κ-ε模型。
(2)ASM模型:假设雷诺应力的传输与湍流应力的传输成正比,把单个独立的应力方程数减少成各计算单元的代数关系式。
在柱坐标系中,由于实施ASM公式的假设存在着概念上的困难,因此波夷萨等人从输运方程中求解出2个雷诺应力,而从代数关系式中求解出其他应力。
当然,这是他们使用该模型较早期的成果。
(3)RSM模型:它可计算各独立的雷诺应力分量,因而更加适用于强旋流旋风分离器流场计算。
它对湍流进行较为完整的描述,也考虑了非同向性湍流输运的特性,效果也比较好。
不过它有6个方程要求解,与其它模型相比太复杂。
(4)RNG模型:和κ-ε模型一样,也是二方程湍流模型,它是从原始的基本方程推导而来。
其中,使用了Kolmogorov数学技巧。
Kolmogorov定律: E(κ)=κ-5/3。
RNG模型是一个更一般、更基本的模型,尤其对强旋流流场及高曲率流线的旋风分离器有着很好的改进效果。
3 分离器内颗粒运动的研究旋风分离器内颗粒流体的流动属于稀浓度颗粒流体力学,应该在分析了纯气体流场并建立起数学模型后的基础上对其展开研究。
并且研究颗粒运动和研究气体流动不一样:因为研究气体流动时可以完全不考虑颗粒的存在,而研究颗粒运动时却不得不考虑气体流动对它的影响。
关于旋风分离器内的灰尘流动型式,范登格南也曾加以研究,提出了分离器顶板下的灰环问题。
特林丹曾经从玻璃模型中观察到,虽然在旋风分离器进气管横截面上均匀地分布着灰尘,但当进入分离器后灰尘却立即形成比较狭窄的带状盘旋下降,此外,他还确定了分离器内不同点的分离效率。
他还在实验中发现在分离器的中央仍有高的分离效42 ·Review· C hina Pow der Science and Technology2003No.3率。
关于粉尘对气体流动的影响和其使含尘气流压降、粉尘之间的碰撞以及团聚对分离效率的影响等, M othes和他的同伴做了较全面的研究[1]。
另外,在排气管下口附近,有很大的向心径向速度,这种径向速度会将大量颗粒带入排气管,这样在排气管下口附近形成了短路流,从而大大影响分离效率;普通旋风除尘器的下旋气流与净化后的上旋气流容易混合,虽然除尘器锥体下部直径减小可使离心力增加以强化分离,但另一方面也使混合现象加剧,使净化后的上旋气流重新被污染,这种现象叫做偏心流现象[12]。
1992年,哥罗宁根大学的A.C.Hoffmann、A. v an Santen和R.W.K.Allen等人对粉尘浓度、压力降与分离效率之间的关系进行了研究,认为:当粉尘浓度增加时,压力降和分离效率都将增加;压力降、分离效率和粉尘浓度之间的相互影响变化与Smo-lik和Zenz根据他们丰富的工作经验所得出的结论完全一致[13]。
西班牙的as等人通过研究发现:对于较大的颗粒,分离效率不受入口环流影响;而对于直径较小的颗粒,入口环流则对其有轻微的负面影响。
我国研究人员张学旭通过研究认为:旋风筒内颗粒所受的阻力不仅仅有粘性力的影响,也有粘性力和体形力共同作用的情况。
也就是说,并不是所有的旋风分离器内固体颗粒的运动都处于层流区内,也有处于过渡区的情况[14];我国张民权利用Di-etz提出的模型分别进行了理论计算和实验验证[15]。
在气固两相流中,气体总是对固体颗粒施加一作用力,当颗粒速度大于气体速度时,气体的作用力为阻力;当颗粒速度小于气体速度时,气体的作用力为推动力,又称为曳力。
